NAND与NOR的差别

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NORflash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NANDflash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。NOR的特点是芯片内执行(XIP,eXecuteInPlace)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。性能比较flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。●NOR的读速度比NAND稍快一些。●NAND的写入速度比NOR快很多。●NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。●大多数写入操作需要先进行擦除操作。●NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。接口差别NORflash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。容量和成本NANDflash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。NORflash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NANDflash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、SecureDigital、PCCards和MMC存储卡市场上所占份额最大。可靠性和耐用性采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。寿命(耐用性)在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。位交换所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。坏块处理NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。易于使用可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。软件支持当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被WindRiverSystem、Microsoft、QNXSoftwareSystem、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。一种NANDFLASH自启动的新方法1引言随着消费类电子产品包括PDA，MP3、智能手机等手持设备的市场需求逐步扩大，产品间的竞争也愈发激烈，降低产品的设计成本，提升产品的市场竞争力成为嵌入式系统开发者所面临的重大挑战。NANDFLASH和NORFLASH作为两种主要的非易失性存储器，被应用于各种嵌入式系统。其中NANDFLASH主要优点在于存储密度高、容量大，有更占优势的存储性价比。但是NANDFLASH由于其独特的页式读写方式，并不适合程序的直接执行。因此，从NANDFLASH启动需要片上存储器作为代码执行的中转区。本文所讨论的一种系统启动方式，是在缺少片上存储器支持的情况下，实现系统直接从NANDFLASH启动。论文中充分考虑了如何实现软、硬件之间的协同工作，以完成SOC系统的设计。2NANDFLASH控制器的结构本文所讨论的NANDFLASH控制器是针对一款基于ARM7TDMI的SoC芯片，该控制器在芯片中的位置如图1所示，作为AMBA总线上的一个从设备集成于AHB上。主要模块包括总线接口模块、FIFO缓冲模块、ECC编码模块以及逻辑控制模块。总线接口模块主要的功能是转换AMBA总线上的控制和数据信号：将总线上的数据送入FIFO或将数据从FIFO读出到总线上，将总线上的控制信号转换时序后送到控制模块。NAND控制器包含一个宽度为32b，深度为4的缓冲FIFO，用于解决高速总线与低速设备之间数据传输速度的匹配问题。为提高总线的传输效率，以及控制器设计的便利性，NANDFLASH在总线上的数据传输采用DMA的方式来完成。譬如在读取FLASH一页数据时，数据持续写入控制器FIFO，FIFO满时发出DMA传输的请求，同时暂停FLASH的数据读取，控制信号nRE拉高，直至DMA响应请求即FIFO不满时，FLASH的数据传输重新开始。当选择应用的FLASH位宽为8，页大小为(512+16)B时，控制器需要发出(32+1)次4拍字宽度的DMA传输请求来完成数据和校验信息的读取。控制模块的上作主要是将总线接口转换的控制信号，按照NANDFLASH的接口协议．将片选、地址、命令、读写使能按照所配置的时序要求，发送到NANDFLASH中，并且控制数据的传输个数，以及DMA请求、数据传输完成中断、数据错误中断等系统信号。NANDFLASH可靠性相对较差，存储器芯片中有坏块的存在，会导致存储数据出错。ECC校验模块针对NANDFLASH的可靠性问题，提供了一种查错、纠错的机制。ECC校验码在数据读人时，由硬件计算完成后写入到FLASH的校验位中，当此页数据读出时，校验码再次生成与存储器校验位中的数据进行比较，若相同则没有损坏位，若不同，则给出出错中断，软件通过检查比较结果，判断出错位的位置进行纠错处理。纠错功能仅针对单bit位的出错，当一个以上位同时在一页中出现时，ECC校验不能给出出错位正确的位置。3NANDFLASH工作的软件流程按照上节对控制器结构以及传输机理的分析，NANDFLASH的使用需要在FLASH控制器模块以及DMA控制器模块的协同下完成，工作的软件流程如图2所示。软件驱动的主要工作是配置DMA模块以及FLASH控制模块，当传输完成，检测到中断后，软件查询状态寄存器，其中的状态位来自FLASH。当一次操作完成后，控制器自动向FLASH发出查询状态的命令0x70，读出的状态字保存在控制器的状态寄存器中。4NANDFLASH系统启动的传统模式目前支持从NANDFLASH启动的SoC芯片中，一般都内嵌有片内存储器。各个处理器厂商对这块片上存储器定义的容量大小有所不同，但是启动模式都是比较一致的。NANDFLASH按页顺序读取的方式，意味着对当前的存储地址访问后就无法马上再次访问，需在当前页访问完成后，重新对此页访问时，才可对先前的地址单元再次访问，这就导致了一些程序语句无法执行，譬如跳转、循环等语句的使用。因此NANDFLASH仅作为启动代码的存储区，而真正执行的存储器区域是内嵌的片上存储器或者片外的SDRAM。以上文中描述的控制器为例，按照这种启动模式，程序搬运以及执行的过程如下：